光电二极管的低噪声电路设计-百度

大庆石油学院课程设计2010年3月20日课程光电检测技术题目基于光电二极管的低噪声电路设计院系电子科学学院专业班级应用物理学生姓名学生学号06090134028指导教师王立刚目录第1章概述...........................................3第2章光电二极管工作原理及电路设计原理................5第3章低噪声光电检测电路设计..........................8第4章安装与调试.....................................16第5章结论..........................................18第1章概述1.1光电二极管的工作原理的简单概述光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。1.2基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的意义经过光电二极管转换的电信号通常都比较微弱，微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级，检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰。若待检测的光信号非常微弱，则对电路的线性和信噪比的要求就非常高。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大。例如，在靶场测试中，弹丸射击密集度是衡量低伸弹道武器性能的一项重要指标。到目前为止，国内靶场用于密集度测量已有多种方法，最先进的方法是采用光电靶进行测量。在设计光电检测电路时，要尽量减少噪声，提高系统的信噪比和检测分辨率。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器和前置放大电路的噪声对系统的影响比较大，但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述并不全面。本文分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出了低噪声光电二极管检测电路的设计原则与设计方法。在测试中，光电靶的灵敏度直接影响整个系统的测量精度，而影响光电靶灵敏度的关键因素就是信号调理电路中放大电路的放大倍数和信噪比，因此设计性能良好的前置放大电路对整个测试系统有着非常重要的作用。可见良好的低噪声光电检测电路的设计在很多方面都发挥着重要的作用。1.3基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的前景展望通过分析光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，征对设计过程出现的各种问题，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法。在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测分辩率。微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，应用光电检测技术来检测微弱光信号具有精度高、稳定性好等优点。第2章光电二极管工作原理及电路设计原理2.1光电二极管的主要工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。2.2光伏模式检测电路的分析光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1。图中Pi是光电二极管接受光辐射后所产生的光电流；SR是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，SR越小，对于大面积的硅光电二极管，SR的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；jC是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；dR是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，dR越大；温度越高，dR越小。对不同光电二极管dR的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D为PN结等效二极管，LR为负载电阻。图1光电二极管的光伏模式和等效电路在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D的电流为1)exp(1)exp(ATUiAkTeUiiDSODSOD(1)A是有关常数，对于硅光电二极管ekTU2,AT，称为热电压。由图1可知，流过负载电阻LR上的电流Li为dLSLTLSLSOPRDDPLRRRiAURRiiiiiii1exp(2)由公式（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流Li和光生电流Pi并非线RLRSRDCpoISIP性关系。如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于dsRR，则公式（2）可化简为1expTSLSOPLAURiiii(3)如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持TSLAURi时，可得PLii(4)即输出电流接近光生电流，也就是线性好。因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取dR大、sR小和soi小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。第3章低噪声光电检测电路设计3.1电路的噪声分析3.1.1热噪声由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声，热噪声电压均方值2TU取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般关系式为dffRKTUffT2142(5)式中：K为波尔兹曼常数；T为材料的绝对温度；fR为光电检测电路中的总电阻随频率f的变化关系，纯电阻时，fR与频率无关，则fKTRUT42(6)当KT300时，JKT211014.4,电阻的热噪声电压TU和热噪声电流TI的均方值分别为fRfKTRUT101029.14(7)RfRfKTIT101029.14(8)式中：f为噪声等效带宽。由式(3)和式(4)可以看出，TU和TI与R、T及f有关，电阻R是主要的热噪源，在R不变时，减少f和T的值可有效减少热噪声。如在室温下，对于K30的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带MHZf5时，为V50UT(9)0.37nAIT(10)在这种状态下，进行nw(或pw)级的测量将很困难。3.1.2散粒噪声由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电压均方值2SU和电流方值2SI分别为fRqIIRUSS222(11)fqI2I2S(12)式中：q为电子电荷量；I为通过光电二极管的电流平均值，包括光电流PI、暗电流DI及背景光电流的平均值。若只考虑光电流，令A0.15ID，MHZf5，则散粒噪声电流nA0.387IS,电压为V11.6U。由式(11)和式(12)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与f及I成正比，减少f和I可有效降低散噪声。3.1.3总噪声电流的均方值热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的，则总的噪声电流NI的均方值2NI为2S2T2NIII(13)A100.54RUUI3-2S2TN(14)当Mf2R时，经前置放大后的噪声电压NV为mVf08.1RIVNN(15)若直流光电流约为0.15μA，则光电转换信噪比SNR为2781054.015.0SNR3NPII(16)3.1.4外部噪声光电检测电路外部噪声包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流、背景起伏、杂散光的入射、振动、电源的波动及检测电路所受到的电磁干扰等。这些噪声扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤波片、电气屏蔽、滤波及提高电源的稳定度等措施加以改善或消除。3.1.5放大电路的噪声分析如果光强变化属于缓变过程，可忽略硅光电二极结电容的影响。为进一步分析讨论放大电路对检测系统的噪影响，先画出放大电路噪声等效模型，见图2,图2放大电路噪声等效模型其中2ne和2ni分别为运算放大器的均方根输入噪声电压和电流，2nRfe为运算放大器反馈电阻产生的热噪声电压。2ne和2ni分别为fedfeenfnn2022(17)fidfiinfnn2022(18)式中：2ne为运算放大器的输入噪声电压密度；2ni为运算放大器的输入噪声电流密度。EnCfRfenRf2in2en2RSRDDIS运算放大器的噪声电压和噪声电流对组合电路的影响，可视为图2中运算放大器输入噪声电压源和声电流源的作用，它们对于组合电路输出端噪声电压的贡献En1、En2分别为ffnfnfnCRifRiRi2E2222n1(19)ffdndfnCRReRfRe2E222n2(20)运算放大器存在失调电压和失调电流，其值随温度漂移，虽然在电路调整时能加以补偿，但是温漂的影响将在电路的输出端产生噪声。失调电压和失调电流的温漂对放大电路输出的贡献ETU、ETI分别为dfUTURtRE(21)fITItRE(22)式中：U为输入失调电压的温漂系数；I为输入失调电流的温漂系数；Δt为温度变化。反馈电阻fR对输出端噪声的影响为fdfdffnRfCkTRRRRfkTRE4(23)以上各种噪声源对光电二极管与运算放大器组合电路总的影响导致电路输出噪声加大，限制了对微弱光强信号的探测。由于各噪声互不相关，其综合影响为单独存在时的均方根值：22222122212TUTInDnDnnnRfnEEEEEEEE(24)光电二极管信号电流经运算放大器后的输出为ffPOSPRRiE(25)故电路组合的信噪比为22222122212TUTInDnDnnnRfnOEEEEEEESPREENSf(26)计算出光电检测电路的信噪比，修改光电检测电路的器件参数，以满足设计要求。3.2电路参数的选择无偏压下，光电二极管选为UV-040B型硅光电二极管，结面积为20.81nm,500DRM，噪声电流155.810A，158.910NEPW，在保证要求的情况下选择dR和jC较大的光电二极管，提高信噪比。采用非常低噪声运算放大器OPA725，因为它具有优良的低偏置电流，低漂移特性。再室温下，其输入噪声电压密度为1/26/nVHz(100kHz),输入噪声电流密度为1/22.5/fAHz（1kHz）。选择反馈金属电阻fR为2M。反馈电容选云母电容（聚苯乙烯）1C、